邵志勇，孫文華，褚文營

(1.中原油田普光分公司應(yīng)急救援中心，四川達(dá)州 6350002.中原油田消防支隊，河南濮陽 457000)

救援鉆孔裝備選型及技術(shù)應(yīng)用

邵志勇1，孫文華2，褚文營1

(1.中原油田普光分公司應(yīng)急救援中心，四川達(dá)州6350002.中原油田消防支隊，河南濮陽457000)

通過對中原油田定向鉆井技術(shù)和國家礦山應(yīng)急救援隊高效車載式鉆機(jī)的分析，探討大孔徑定向鉆孔救援關(guān)鍵技術(shù)及配套裝備的選用，能夠在礦山事故現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)有效鉆孔，給事故現(xiàn)場被困人員建立通訊和生命通道，及時輸送氧氣、飲水、食品和救援物資，為巷道掘進(jìn)、巷道排水等救援工作爭取時間。

鉆孔 救援裝備 裝備選型 定位技術(shù)

礦井發(fā)生透水、冒頂、瓦斯突出等災(zāi)害事故時，常導(dǎo)致井下巷道堵塞、礦工被困，傳統(tǒng)救援技術(shù)無法在短時間內(nèi)打通救援通道、實(shí)施有效救援，往往會造成不必要的人員傷亡。

1 鉆孔救援裝備選型

結(jié)合礦山救援現(xiàn)場的要求，鉆孔救援裝備應(yīng)當(dāng)具備鉆孔深度大、鉆孔速度快、便于運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)，車載式鉆機(jī)是最佳選擇，具有機(jī)動性好、適用場地小、便于安裝等特點(diǎn)。目前，石油行業(yè)中使用的空氣鉆(氮?dú)忏@)能夠承擔(dān)7 000 m以內(nèi)施工任務(wù)，且配備車載空氣壓縮機(jī)、旋轉(zhuǎn)防噴器等裝備，在普光氣田開發(fā)建設(shè)中發(fā)揮了重要作用，完成了多口井的鉆探開發(fā)。

2 救援鉆孔定位技術(shù)

2.1 現(xiàn)代鉆探定位技術(shù)

在礦山救援中，準(zhǔn)確鉆孔直接關(guān)系到被困人員的生命安全，因此定位鉆孔技術(shù)至關(guān)重要。目前，煤層氣開發(fā)中的水平井、直井連通技術(shù)在國內(nèi)外已被廣泛應(yīng)用。2007年，中原油田40583鉆井隊完成的H4-L井，在國內(nèi)創(chuàng)造首例水平井與定向井連通成功的記錄；2011年9月17日美國鉆井承包商在沙特ANDR-30井進(jìn)行大修井作業(yè)，發(fā)生井噴失控，鉆機(jī)主體設(shè)備全部燒毀，在3部參與救援任務(wù)的鉆機(jī)中，中原油田沙特公司SINO-15隊采取定位磨穿事故井套管，實(shí)施壓井作業(yè)，成功處置井噴火災(zāi)。

2.2 定向儀器選用

2.2.1常規(guī)定位系統(tǒng)

常規(guī)定位系統(tǒng)利用大地的重力場、磁場和天體坐標(biāo)系，產(chǎn)生與這三種測量媒介有關(guān)的測量儀器，常用有MWD無線隨鉆儀器或LWD地質(zhì)導(dǎo)向儀器。該類系統(tǒng)對救援井要求有詳細(xì)的巷道走向、深度和方位等資料來確定明確目標(biāo)靶點(diǎn)，可分辨地層，確定地層巖性，砂泥巖含量評價。

2.2.2磁矢量測量定位系統(tǒng)

能夠在無法確定巷道具體位置，只有大致方向的情況下，利用煤礦存在金屬的特點(diǎn)，采用磁矢量測量定位系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以檢測到距離鉆頭50 m范圍內(nèi)地層中金屬物體。

工作原理：利用原井眼內(nèi)遺留的金屬材料，如套管、鉆具等具有電磁傳導(dǎo)特性的物質(zhì)具有的磁性特征，在鉆井施工過程中，MWD或LWD工具中裝入正交矢量強(qiáng)磁感應(yīng)接收短節(jié)，通過磁場感應(yīng)的強(qiáng)弱來精確計算新鉆井眼與磁性物體之間的距離和方位。磁矢量測量定位是隨著特殊井的需要而發(fā)展起來的，諸如救援井、稠油開采雙水平井(水平注蒸汽、水平抽油)、多分支井連通等。

2.2.3旋轉(zhuǎn)磁場定位系統(tǒng)(RMRS)

此儀器要求提前在巷道中放入探管，鉆頭上接強(qiáng)磁短節(jié)，探管通過計算機(jī)接收信號。

工作原理：巷道洞穴中放入特制的旋轉(zhuǎn)磁場定位系統(tǒng)(探管)，連接計算機(jī)；在水平井中的鉆頭和馬達(dá)之間接入一根強(qiáng)磁短節(jié)來發(fā)射磁場，由直井中旋轉(zhuǎn)磁場定位系統(tǒng)接收，并及時把信息傳送到計算機(jī)中，連通工程師根據(jù)傳送的信息判定鉆頭鉆進(jìn)的方向與洞穴連通點(diǎn)位置的方位，然后下達(dá)指令給定向工程師，再由定向工程師不斷控制鉆井中鉆頭井斜、方位，以調(diào)整井眼軌跡剖面直至連通。探管一般在80 m之內(nèi)，就可以接受到強(qiáng)磁發(fā)射的信號，距離越近，反應(yīng)愈明顯。

2.3 定向鉆井快速施工技術(shù)

定向井是指按照事先設(shè)計的具有井斜和方位變化的軌道鉆進(jìn)的井，主要應(yīng)用于地面環(huán)境條件限制、地下地質(zhì)條件要求、處理井下故障要求三個方面。在石油鉆井中多數(shù)井為定向井，主要技術(shù)包括：直井段防斜打直技術(shù)、定向造斜技術(shù)、控制段軌跡控制技術(shù)、定向井安全施工技術(shù)等。

快速施工技術(shù)中，施工速度主要取決于裝備功率大小、泵排量大小、井眼尺寸、地層可鉆性等因素。目前，中原油田內(nèi)部鉆井速度常規(guī)井眼尺寸可達(dá)到400 m/d水平，考慮到救援井上部地層疏松，可鉆性好，預(yù)測215.9 mm井眼平均機(jī)械鉆速可達(dá)到45 m/h以上，660.4 mm井眼平均機(jī)械鉆速可達(dá)到20 m/h以上。

3 大孔徑救援鉆孔技術(shù)

3.1 井眼尺寸的選擇

國際上鉆頭大小一般有12個尺寸，救援鉆孔建議采用牙輪鉆頭。國內(nèi)鉆頭廠家可提供大部分尺寸鉆頭。

救援井需建立通訊、氧氣輸送、飲用水及食物輸送時，建議采用311.1 mm或215.9 mm尺寸井眼，該鉆頭尺寸較小、鉆速高，定向井易于施工，特別是215.9 mm井眼定向技術(shù)最為成熟。需通過通道下入救援艙救人時，建議采用660.4 mm或更大尺寸鉆頭，此類型井眼鉆進(jìn)速度慢，定向配套工具少。

3.2 鉆井方式選擇

鉆井方式主要是鉆井液鉆井和空氣鉆井的選擇。

a)鉆井液鉆井?？摄@性好的地層，該技術(shù)成熟，可對付一般井塌、井漏、縮徑、鹽層等井下復(fù)雜情況。

b)空氣鉆井。空氣鉆井技術(shù)利用空氣作為鉆井流體進(jìn)行鉆井，常用于鉆井液鉆井無法施工或鉆速過慢情況，該技術(shù)鉆速快且單個鉆頭進(jìn)尺高。缺點(diǎn)是井下出水易造成井壁不穩(wěn)定和攜屑困難，而且由于空氣中存在氧氣，容易發(fā)生井下燃爆。另外，還有采用氮?dú)忏@，氮?dú)忏@井可以克服爆燃問題，但存在成本高和現(xiàn)場供應(yīng)困難等問題。

因此，在救援過程中，要結(jié)合實(shí)用性、總氣量、所需氣體的供給速率及化學(xué)相容性等因素，選擇合適方式。

3.3 定向施工與鉆具結(jié)構(gòu)選擇

3.3.1直井段防斜打直

造斜點(diǎn)深度小于500 m，采用塔式或鐘擺鉆具組合，嚴(yán)格控制鉆壓、保證井斜角不大于1。

3.3.2定向點(diǎn)選擇

定向點(diǎn)的選擇應(yīng)充分考慮地層穩(wěn)定性、可鉆性的限制。盡可能把造斜點(diǎn)選擇在穩(wěn)定地層，避開軟硬夾層、巖石破碎帶、漏失地層、流沙層、易膨脹或易坍塌的地段，以免出現(xiàn)井下復(fù)雜情況，影響定向施工。定向點(diǎn)深度根據(jù)設(shè)計井的垂深、水平位移和選用的軌道類型來決定。

3.3.3剖面選擇

常用剖面有“直-增-穩(wěn)”三段制、“直-增-穩(wěn)-降-直”五段制、“直-增-穩(wěn)-增-穩(wěn)”雙增剖面等。根據(jù)施工要求和目標(biāo)點(diǎn)選擇具體剖面，剖面選擇越簡單越好，盡量選擇三段制，避免五段制。

3.3.4定向造斜

a)靶點(diǎn)深度影響。對于靶深度較淺地層可鉆性較好的大斜度定向井，可以使用動力鉆具把井斜增到20°以上甚至最大井斜，減少或避免轉(zhuǎn)盤增斜的同時增(或減)方位的不良后果；對于靶深度比較深、地層可鉆性較差的大斜度定向井，為了提高鉆井速度，可把造斜點(diǎn)提前，縮短動力鉆具造斜段，增大轉(zhuǎn)盤增斜段，由于增斜段較長，若井斜、方位不合適，有調(diào)整余地。

b)合適的全角變化率。造斜段井眼曲率選擇要合適。井眼曲率過大，一方面井身質(zhì)量會超標(biāo)；另一方面會給下部鉆井施工造成困難。但井眼曲率也不能太小，太小往往需要增加造斜段長度。實(shí)踐總結(jié)出，動力鉆具造斜段采用1°～1.25°單彎螺桿，造斜率控制在10～15°/100 m。

3.4 定向井安全施工措施

a)短程起下鉆。定向井特別是大斜度定向井由于鉆屑的自重作用，極易在下井壁形成“砂床”，不易被鉆井液帶出，嚴(yán)重時會造成“砂床”卡鉆。而短程起下鉆可以破壞“砂床”，再通過循環(huán)鉆井液帶出井眼，從而達(dá)到清砂的目的。施工中規(guī)定斜井段每鉆進(jìn)200 m(或40 h)要短程起下鉆一次。

b)保持鉆井液潤滑性。大斜度井易形成“砂床”，鉆具躺在下井壁，極易發(fā)生壓差卡鉆，因此，要求此類井的鉆井液既要有較強(qiáng)的攜砂能力，又要有較好的潤滑性。允許混油的定向井，要及時混原油，原油含量達(dá)到8%～10%。

c)簡化鉆具組合。定向井進(jìn)入深井段或井斜較大時(大于30°)應(yīng)及時簡化鉆具組合(減少扶正器的數(shù)量，少使用鉆鋌、多使用加重鉆桿等)。測完多點(diǎn)通井，必須甩掉扶正器及無磁鉆鋌。

d)活動鉆具和劃眼方法。鉆具在斜井段靜止不得超過3 min；活動鉆具禁止原地轉(zhuǎn)動，以大幅度上下活動為主；禁止接單根測斜；斜井段劃眼以沖、通為主，可以快放劃眼，若劃眼速度過慢，應(yīng)及時分析原因，采取必要措施，防打出新井眼。

e)排量保持井眼清潔。311.1 mm井眼排量<55 l/s,215.9 mm井眼<28 l/s。

f)改變鉆具組合(特別是彎接頭定向組合)下鉆遇阻不超過10 t，禁止硬壓、硬砸，彎接頭定向組合不可劃眼。

g)裸眼斜井段應(yīng)Ⅰ檔起鉆，禁止轉(zhuǎn)盤卸扣。

3.5 空氣鉆井技術(shù)

3.5.1空氣鉆作業(yè)基本條件

a)地層壓力剖面、巖性剖面和油、氣、水性質(zhì)清楚。

b)裸眼井段不應(yīng)存在多個壓力系統(tǒng)、易垮塌地層和高產(chǎn)水層。

c)地層流體中硫化氫含量不超過20 mg/m3。

d)可安裝、使用溢流控制和處理裝置。

3.5.2現(xiàn)場準(zhǔn)備

a)井場外100 m遠(yuǎn)應(yīng)挖一燃燒池，其容積由鉆井工程設(shè)計提出。燃燒池應(yīng)進(jìn)行防滲和防垮塌處理。從井場到燃燒池鋪設(shè)一條路面，便于駕設(shè)燃燒管線。

b)在上風(fēng)方向設(shè)立風(fēng)向標(biāo)。

c)井場配備有足夠的帶快速接頭的正壓式空氣呼吸器；配備與空氣呼吸器配套的空氣壓縮機(jī)，空氣壓縮機(jī)應(yīng)安放在上風(fēng)口處。

d)應(yīng)儲備足量的氣體中毒搶救醫(yī)療器械及藥品，現(xiàn)場應(yīng)備有足夠的清水。

e)套壓接近設(shè)計上限時，應(yīng)及時采取措施；如套壓值經(jīng)采取措施后仍上升，關(guān)應(yīng)閉封井器，調(diào)整鉆井液密度。

3.5.3空氣鉆安全施工措施

a)鉆井時，要求送鉆均勻，并注意立管壓力及井下情況，發(fā)現(xiàn)立管突然升高、扭矩變化、憋跳嚴(yán)重、上提遇卡等井下異?，F(xiàn)象時，應(yīng)立即停鉆，活動鉆具，循環(huán)觀察，及時處理。

b)由于空氣不可能懸浮巖屑，空氣鉆井時，起鉆或接單根前必須進(jìn)行充分循環(huán)，將井下鉆屑或其他沉積物帶到地面。循環(huán)時間長短取決于井下情況，具體應(yīng)觀察排巖管線出口，確認(rèn)鉆屑含量明顯降低，才能開始起鉆或接單根作業(yè)。

c)原則上每鉆進(jìn)100～300 m測斜一次，實(shí)際根據(jù)層位變化，鄰井資料和井身質(zhì)量控制效果來調(diào)整測斜間距。

d)觀察分析取出巖屑的粒度、濕度和返量，判斷井下出水量大小及井壁穩(wěn)定性，根據(jù)不同情況分別采取循環(huán)、增大注氣量等措施。

e)當(dāng)鉆速較快或存在放空現(xiàn)象時，控制鉆時在3 min以上。

f)每2趟鉆須對鉆鋌及輔助工具進(jìn)行探傷檢查，盡可能減少鉆具事故。根據(jù)發(fā)生的鉆具問題及時調(diào)整鉆具結(jié)構(gòu)。

g)全烴含量達(dá)到3%或有硫化氫時，立即停止注氣，實(shí)施關(guān)井程序，放噴點(diǎn)火，采取防回火措施。

4 結(jié)語

中國石油、中國石化等大型石油石化企業(yè)具有成熟的鉆井施工和工程服務(wù)能力，能承鉆7 000米以內(nèi)的石油天然氣井、煤層氣井、地?zé)峋?、鹽井以及老井修復(fù)等工程，擁有多套MWD和LWD儀器，可提供鉆井工程設(shè)計、地質(zhì)錄井、鉆具工具供應(yīng)、定向井、水平井工程技術(shù)、隨鉆測量、陀螺測斜、陀螺定向等技術(shù)及服務(wù)，具有較強(qiáng)的鉆孔救援施工能力，對未來復(fù)雜礦山救援具有重要意義。

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RescueDrillingEquipmentSelectionandApplication

Shao Zhiyong1, Sun Wenhua2, Chu Wenying1

(1.Zhongyuan Oilfield Puguang Branch Emergency Rescue Center, Sichuan, Dazhou，635000 2.Zhongyuan Oilfield Fire Detachment, Henan, Puyang，457000)

Through the analysis of Zhongyuan Oilfield directional drilling technology and the National Mine Emergency Rescue Team efficient vehicle rig，this paper explores the large diameter directional drilling technology and rescue key accessory equipment selection to achieve effective drilling in the mine accident scene for trapped personnel to establish communication and life channels, timely delivery of oxygen, water, food and relief supplies for roadway excavation, roadway drainage and other relief efforts.

drilling; rescue equipment; equipment selection; location technology

2016-03-28

邵志勇，工程師，2007年畢業(yè)于中國人民武裝警察部隊學(xué)院消防工程專業(yè)，現(xiàn)在中原油田普光分公司應(yīng)急救援中心從事應(yīng)急管理培訓(xùn)等工作。